大型重工結(jié)構(gòu)件焊接自動化生產(chǎn)

吳定勇 楊輝 李博 申俊琦 王志江 胡繩蓀

【摘 要】文中闡述了大型重工結(jié)構(gòu)件焊接自動化生產(chǎn)的難點，并依據(jù)盾構(gòu)機環(huán)體的焊接自動化改造，給出了該類產(chǎn)品自動化解決方案示例，并指出充分發(fā)揮機器人技術(shù)的優(yōu)勢，不斷創(chuàng)新提高技術(shù)水平，大型重工結(jié)構(gòu)件自動化生產(chǎn)水平必然逐步提高。

【關(guān)鍵詞】機器人;焊接自動化;非標件;重工

中圖分類號： TG409;TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0109-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.046

【Abstract】The difficulty in automatic welding manufacturing of large welded structure in heavy industry was discussed at the present work. Taking the automatic manufacturing upgrade for B ring of shield tunneling machine as an example， a proposal of automatic solution for the similar products were given. It is believed that the level of automation for large welded structure manufacturing in heavy industry will be promoted if robot technology could be taken full advantage and the corresponding technologies could be developed and improved.

【Key words】Robot; Welding automation; Non-standard product; Heavy industry

1 重型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)現(xiàn)狀

自德國、美國、日本等國家提出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略以來，世界興起了第三次工業(yè)革命浪潮。面對全球制造業(yè)格局的深刻變革，中國提出“中國制造2025”，力求通過發(fā)展科技創(chuàng)新技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，完成從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的升級改造。焊接技術(shù)作為重型構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中重要的連接技術(shù)，在其中發(fā)揮著重要的作用。然而，目前國內(nèi)的許多制造廠家仍主要采用手工焊接，不僅勞動強度大，工作環(huán)境差，對焊工的身心造成嚴重考驗，而且焊接質(zhì)量不高，效率低等問題比較突出，焊接穩(wěn)定性和一致性難以得到保證。與傳統(tǒng)人工焊接相比，使用機器人實現(xiàn)重型結(jié)構(gòu)件的焊接自動化可以大大提高焊接效率，優(yōu)化焊縫質(zhì)量，并改善勞動條件，機器人自動化焊接技術(shù)因其高效、穩(wěn)定、柔性化等特點也將成為未來的一個主要發(fā)展方向。

2 重型結(jié)構(gòu)件焊接自動化的難點

在實現(xiàn)重型結(jié)構(gòu)件自動化焊接的過程當中，主要存在著以下幾個難點：

（1）由于重型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)一般較大，且較為沉重，因此移動起來較為不便。

（2）實際焊接過程中尋縫較為困難。

（3）焊接機器人位置一旦固定，其工作空間就是確定的，不如人工靈活，可達性較差。

（4）由于重型構(gòu)件的板厚較厚，需要進行多層多道焊來完成坡口填充，較大的填充量會帶來較大的熱輸入，容易產(chǎn)生焊接變形的問題。

（5）焊接過程中工件一旦發(fā)生變形，焊槍就會偏離理想的焊接軌跡，進而影響焊接效果，需要對焊槍位置進行糾正。手工焊接時焊工可通過實時觀察隨時調(diào)整焊槍位置，而機器人焊接時很難對焊接軌跡實時修正，焊縫跟蹤較為困難。

3 重型結(jié)構(gòu)件焊接自動化問題的解決方法

為了更好的實現(xiàn)重型結(jié)構(gòu)件的焊接自動化，下面將以盾構(gòu)機環(huán)體的自動焊接為例對上述問題進行解決。

盾構(gòu)機環(huán)體的位置一旦固定就很難移動，相對來說，焊接機器人的位置就比較容易發(fā)生改變，可將焊接機器人安裝到導軌式分體C型行走架上，通過移動焊接機器人來改變機器人和盾構(gòu)機之間的相對位置（圖1），進而實現(xiàn)盾構(gòu)機的焊接。

實際焊接時工件很難保證在同一位置，不可能每次工件位置發(fā)生變動都去重新示教機器人程序，因此，可采用機器人的接觸式尋縫功能來解決這一問題。以機器人接觸式傳感的方式，讓機器人自動尋找焊縫位置，找到焊縫位置后，通過PR位置寄存器的運算來設(shè)定機器人的程序。設(shè)定機器人在進行焊縫程序時，焊機給出一個直流電壓信號到焊絲端部，當焊絲與工件接觸時，瞬間產(chǎn)生電流反饋至焊機，此刻機器人自動存取當前機器人TCP點的位置。利用這個接觸式傳感的特性，可以方便的進行運算，從而精確地找出焊縫的起點位置。

與人工焊接相比，機器人的自動化焊接可達性較差，對此可采用更換焊槍的解決辦法，可分為以下兩種情況。一種是改變焊槍的角度，在某些條件下焊槍受結(jié)構(gòu)限制會偏離坡口平分線的位置，此時可以更換角度較大的焊槍，在其他情況不變的情況下，焊槍角度較大時能夠使焊槍更加接近坡口角平分線位置。另一種是改變焊槍的長度，在焊接一些內(nèi)部焊縫時，焊槍較短難以進入適合焊接的位置，加上焊槍后半部分體積較大，也會限制焊槍在工件內(nèi)部的姿態(tài)，通過更換槍頸長度較長的焊槍可以減少焊槍造成的姿態(tài)限制。因此，可根據(jù)實際焊接時工件中焊縫所處的位置來選擇具有合適角度和長度的焊槍，從而在一定程度上解決可達性的問題。另外，在局部極限條件下，可輔以人工焊接。

與單道焊接相比，多層多道焊更容易出現(xiàn)焊接變形的問題。為此，進行焊接時應(yīng)選用能量密度高、熱輸入較低的焊接方法，如熔化極氣體保護焊;另外，坡口角度和坡口間隙可適當減小，從而減少熔敷金屬的填充量;此外，針對盾構(gòu)機環(huán)體的環(huán)縫焊接，可采用對稱焊接的方式，即兩臺機器人在環(huán)縫的兩端同時開始施焊，并同時結(jié)束，相當于每臺機器人行走了一個半圓的軌跡，并最終實現(xiàn)整個環(huán)縫的焊接，這種方式與一臺機器人的環(huán)縫焊接相比，可有效降低焊接變形;進行多層多道焊時，在滿足焊縫質(zhì)量要求的條件下，可采用焊接電流較小、焊接速度較快的焊接參數(shù)，從而降低熱輸入?？偟膩碚f，以上幾種措施均可緩解焊接變形的問題。

在焊接變形得到一定緩解的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)人機交互焊縫跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)焊槍位置的可調(diào)，從而保證焊接質(zhì)量。為了實現(xiàn)開始焊接后機器人行走軌跡的調(diào)節(jié)，可以向機器人控制器的傳入模擬信號，模擬偏差信息，從而使機器人按照設(shè)定的偏差進行焊縫橫向和焊槍高度方向的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)在焊接過程中改變焊接路徑的目的，最終實現(xiàn)多層多道焊的實時跟蹤糾偏控制。

4 結(jié)論

焊接自動化技術(shù)在重型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用會越來越普遍，并且會不斷發(fā)展和進步。盡管在大型重工結(jié)構(gòu)件的自動化生產(chǎn)方面存在大量的困難，但充分發(fā)揮機器人技術(shù)的優(yōu)勢，不斷創(chuàng)新技術(shù)水平，其自動化水平必然逐步提高。通過實現(xiàn)自動化技術(shù)與機械生產(chǎn)制造的同步發(fā)展與更新，可推動工程機械生產(chǎn)制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級，促進生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)品標準的優(yōu)化。

【參考文獻】

[1]陳華斌，黃紅雨，林濤，等.機器人焊接智能化技術(shù)與研究現(xiàn)狀[J].電焊機，2013，43（4）：8-15.

[2]幸權(quán)，柴宗明.智能制造關(guān)系中國制造業(yè)發(fā)展[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)月刊，2011，30（14）：116.

[3]傅彩虹.基于自動化技術(shù)的機械制造革新途徑分析[J].南方農(nóng)機，2017，48（18）：98.